• No results found

Stability of zopiclone in whole blood

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Stability of zopiclone in whole blood"

Copied!
64
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

       

Stability of zopiclone in whole blood 

 

‐ Studies from a forensic perspective 

      Gunnel Nilsson                Division of Drug Research  Department of Medical and Health Sciences  Linköping University, Sweden              Linköping 2010     

(2)

Supervisors  Robert Kronstrand, Associate Professor   Department of Medical and Health Sciences, Faculty of Health Sciences,  Linköping University, Sweden    Johan Ahlner, Professor  Department of Medical and Health Sciences, Faculty of Health Sciences,  Linköping University, Sweden    Fredrik C. Kugelberg, Associate Professor  Department of Medical and Health Sciences, Faculty of Health Sciences,  Linköping University, Sweden                          Gunnel Nilsson, 2010         Published article has been reprinted with permission of the copyright holder.  Paper I © 2010 Elsevier, Forensic Science International      Printed in Sweden by LiU‐Tryck, Linköping, Sweden, 2010       ISBN 978‐91‐7393‐339‐1  ISSN 1100‐6013   

(3)

      Dala‐Gård                                    Ring the bells that still can ring  Forget your perfect offering  There is a crack in everything  That’s how the light gets in    Anthem by  Leonard Cohen   

(4)

         

(5)

CONTENTS

ABSTRACT ... 1  POPULÄRVETENSKAPLIG SAMMANFATTNING... 3  LIST OF PAPERS ... 5  ABBREVIATIONS ... 6  INTRODUCTION ... 7  Pre‐analytical conditions... 7  Drug stability... 7  Design and evaluation of stability experiments... 9  Stability investigations of drugs... 10  Zopiclone... 11  Pharmacokinetics ... 12  Pharmacodynamics... 13  Forensic cases... 14  Analytical methods ... 16  Biological specimens... 17  AIMS OF THESIS ... 19  Specific aims ... 19  Paper I ... 19  Paper II... 19  MATERIALS AND METHODS ... 21  Study designs ... 21  Long‐ and short‐term stability ... 21  Freeze‐thaw stability... 22  Processed stability... 22  Degradation ... 22  Influence of pre‐analytical conditions... 22 

(6)

Ethical considerations ... 23  Equipment... 23  Chemicals and solutions ... 24  Analytical methods... 24  Gas chromatography ... 24  Liquid chromatography ... 26  Quality controls ... 26  Clinical chemical analysis ... 27  Statistical analysis ... 27  RESULTS... 29  Paper I ... 29  Long‐ term and short‐term stability ... 29  Freeze‐thaw stability... 31  Processed stability... 32  Degradation products... 32  Quality control samples ... 32  Paper II... 33  Authentic and spiked stability samples... 33  Quality control samples ... 35  GENERAL DISCUSSION... 37  Stability investigations... 37  Pre‐analytical aspects ... 40  Methodological aspects ... 40  CONCLUDING REMARKS... 43  Paper I ... 43  Paper II... 43  FUTURE PERSPECTIVES ... 45  ACKNOWLEDGEMENTS ... 47  REFERENCES... 49  APPENDIX (PAPERS I–II)... 59 

(7)

ABSTRACT

Bio‐analytical  results  are  influenced  by  in  vivo  factors  like  genetic,  pharmacological  and  physiological  conditions  and  in  vitro  factors  like  specimen  composition,  sample  additives  and  storage  conditions.  The  knowledge  of  stability  of  a  drug  and  its  major  metabolites  in  biological  matrices is very important in forensic cases for the interpretation of analytical  results. Many drugs are unstable and undergo degradation during storage. 

Zopiclone  is  a  short‐acting  hypnotic  drug,  introduced  as  a  treatment  for  insomnia in the 1980s. However, this drug is also subject to abuse and can be  found  in  samples  from  drug‐impaired  drivers,  recreational  drug  users  and  forensic  autopsy  cases.  Zopiclone  is  analyzed  in  biological  materials  using  different analytical methods. It is unstable in certain solvents and depending  on storage conditions unstable in biological fluids. The aim of this thesis was  to investigate the stability of zopiclone in human whole blood and to compare  stability  between  authentic  and  spiked  samples.  Interpretation  of  zopiclone  concentrations  in  whole  blood  is  important  in  forensic  toxicology.  The  following investigations were performed to study the stability of zopiclone in  both spiked and authentic human blood.  

First, different stability tests were performed. Spiked blood samples were  stored  at  –20°C,  5°C  and  20°C  and  the  degradation  of  zopiclone  was  investigated  in  long‐  and  short‐term  stability.  Authentic  and  spiked  blood  samples were stored at 5°C and differences in zopiclone stability were studied.  Processed  sample  stability  and  effect  of  freeze/thaw  cycles  were  also  evaluated. 

Second,  influence  of  pre‐analytical  conditions  on  the  interpretation  of  zopiclone  concentrations  in  whole  blood  was  investigated.  Nine  volunteers  participated  in  the  study.  Whole  blood  was  obtained  before  and  after  oral  administration of 2 x 5 mg Imovane®. Aliquots of authentic and spiked blood 

were stored under different conditions and zopiclone stability was evaluated.  In  this  study,  the  influence  from  physiological  factors  such  as  drug  interactions, matrix composition and plasma protein levels were minimized. 

Analyses  of  zopiclone  were  performed  by  gas  chromatography  with  nitrogen phosphorous detection and zopiclone concentrations were measured  at  selected  time  intervals.  Degradation  product  of  zopiclone  was  identified  using liquid chromatography‐tandem mass spectrometry. 

(8)

The  first  study  showed  that  zopiclone  degrades  in  human  blood  depending on time and temperature and may not be detected after long‐term  storage.  The  degradation  product  2‐amino‐5‐chloropyridine  was  identified  following  zopiclone  degradation.  The  best  storage  condition  was  at  –20°C  even  for  short  storage  times,  because  freeze‐thaw  had  no  influence  on  the  results.  In  butyl  acetate  extracts,  zopiclone  was  stable  for  at  least  two  days  when  kept  in  the  autosampler.  However,  in  blood  samples  stored  at  20°C  a  rapid  decrease  in  concentration,  was  noticed.  This  rapid  degradation  at  ambient  temperature  can  cause  an  underestimation  of  the  true  concentration  and consequently flaw the interpretation. 

The  second  study  showed  no  stability  differences  between  authentic  and  spiked  blood  but  confirmed  the  poor  stability  in  whole  blood  at  ambient  temperature. The results showed that zopiclone was stable for less than 1 day  at 20°C, less than 2 weeks at 5°C, but stable for 3 months at –20°C. This study,  demonstrates  the  importance  of  controlling  pre‐analytical  conditions  from  sampling to analysis to avoid misinterpretation of toxicological results.                                           

(9)

POPULÄRVETENSKAPLIG

SAMMANFATTNING

Inom  forensisk  toxikologi  undersöks  förekomst  av  droger,  läkemedel  och  gifter  i  biologiskt  material.  Resultatet  av  undersökningarna  bidrar  till  bedömningar  i  rättsliga  utredningar  av  drogmissbruk,  drogpåverkan  och  dödsorsak.  Kunskap  om  stabiliteten  hos  kemiska  föreningar  i  biologiska  prover  under  förvaring  är  av  väsentlig  betydelse  både  analytiskt  och  tolkningsmässigt.  Många  substanser  är  instabila  och  förändras  under  förvaring. Provmaterial transporteras via post, registreras på laboratoriet och  förvaras  därefter  i  kyl.  Innan  samtliga  undersökningar  är  klara  har  provet  normalt  förvarats  i  en  till  två  veckor.  Rättsliga  processer  kan  pågå  under  en  längre tid och det händer ibland att prover måste undersökas på nytt när nya  frågeställningar tillkommer. Provmaterialet kan då ha förvarats i flera veckor  eller månader. 

Zopiklon  introducerades  som  läkemedel  på  1980‐talet  för  behandling  av  kortvariga  sömnbesvär.  I  Sverige  finns  zopiklon  som  den  verksamma  substansen  i  sömnmedlet  Imovane®.  Inom  forensisk  toxikologi  undersöks 

förekomst  av  zopiklon  när  analys  av  läkemedlet  begärs.  Zopiklon  återfinns  i  såväl  missbruksärenden,  drograttfylleriärenden  som  i  obduktionsfall.  Zopiklon kan analyseras i olika biologiska material som till exempel helblod,  urin,  hår  och  postmortalt  blod.  Beroende  på  förvaringsförhållanden,  materialets beskaffenhet och pH förändras mängden zopiklon i lösningar och i  biologiskt  material.  Syftet  med  studierna  i  denna  avhandling  var  att  undersöka  stabiliteten  för  zopiklon  i  helblod,  samt  att  studera  stabilitetsskillnader  mellan  blod  innehållande  zopiklon  efter  tillsats  (spikade  prover), med blod innehållande zopiklon efter intag av läkemedlet (autentiska  prover).  Kunskap  om  stabiliteten  för  zopiklon  i  detta  material  är  viktig,  eftersom  resultat  från  analyser  på  helblod  utvärderas  och  tolkas  inom  forensisk toxikologi. 

Två olika studier genomfördes. I den första studien gjordes olika typer av  stabilitetstester.  Spikade  prover  förvarades  vid  −20°C,  5°C  och  20°C  och  koncentrationerna  av  zopiklon  följdes  över  tid.  Stabilitet  i  provextrakt  under  förvaring på analysinstrument och stabilitet efter det att prov frysts och tinats  undersöktes också.  

(10)

I  den  andra  studien  undersöktes  hur  provhantering  innan  analys  kan  inverka på koncentrationerna av zopiklon i helblod och påverka tolkningen av  resultat.  I studien deltog  nio  frivilliga  individer.  Blodprov  togs  före  och  efter  intag  av  2  x  5  mg  av  läkemedlet  Imovane®.  Spikade  och  autentiska  prover 

förvarades vid −20°C, 5°C och 20°C och koncentrationerna av zopiklon följdes  över  tid  och  jämfördes.  I  denna  studie  kontrollerades  även  faktorer  som  indirekt kan ha en påverkan på substansens koncentration i helblod. Faktorer  som  materialets  beskaffenhet,  förekomst  av  andra  droger  och  mängden  av  plasmaproteiner kontrollerades. 

Den  första  studien  visade  att  koncentrationerna  av  zopiklon  i  helblod  sjunker under förvaring beroende på temperatur och tid. Vid provförvaring i  rumstemperatur  sjönk  koncentrationen  av  zopiklon  snabbt.  Det  har  tidigare  visats  att  när  pH  stiger  förändras  zopiklonmolekylen  och  degraderar  via  kemisk  hydrolys  till  2‐amino‐5‐klorpyridin.  Denna  degraderingsprodukt  kunde  identifieras  vid  ett  enkelt  försök  på  zopiklonspikade  prover  som  inkuberats  vid  37°C.  Mängden  aminoklorpyridin  ökade  i  proportion  till  minskningen  av  mängden  zopiklon.  Mätning  av  degraderingsprodukten  kan  komma  till  nytta  vid  utredningar  av  förekomst  av  zopiklon  i  fall  där  provmaterial  har  förvarats  under  lång  tid,  till  exempel  vid  speciella  dödsfallsutredningar. 

Frysning och tining av prov hade ingen inverkan på koncentrationerna av  zopiklon  i  helblod.  Zopiklon  var  stabilast  vid  förvaring  i  frys  och  eftersom  frysning och tining inte påverkade analysresultatet, bör prover kunna förvaras  i frys både under kortare och längre tidsperioder. 

Zopiklon  var  stabilt  under  minst  två  dagar  i  provextrakt  som  förvarats  i  rumstemperatur  på  analysinstrumentet.  Det  innebär  att  om  det  uppstår  oförutsedda  problem  under  pågående  analys,  så  är  det  möjligt  att  analysera  provextraktet på nytt inom denna tidsperiod. 

Den  andra  studien  visade  inga  skillnader  i  stabilitet  mellan  spikade  och  autentiska  prover  och  resultaten  från  stabilitetstesterna  i  denna  studie  bekräftade  resultaten  från  den  första  studien.  Zopiklon  i  helblod  visade  sig  vara stabilt mindre än en dag vid förvaring i rumstemperatur, mindre än två  veckor vid förvaring i kyl, men i minst tre månader vid förvaring i frys. Detta  innebär att provmaterialets förvaring från provtagning fram till analys måste  kontrolleras  med  avseende  på  temperaturförhållanden.  Analysresultat  från  prover som förvarats en längre tid måste tolkas med stor försiktighet. 

(11)

LIST OF PAPERS

This thesis is based on the following papers, which are referred to in the text  by their Roman numerals.      I.  Stability tests of zopiclone in whole blood.    Nilsson GH, Kugelberg FC, Kronstrand R, Ahlner J.    Forensic Sci Int. 2010, 200(1‐3):130‐135.    II.  Influence of pre‐analytical conditions on the interpretation of zopiclone    concentrations in whole blood.    Nilsson GH, Kugelberg FC, Ahlner J, Kronstrand R.    Forensic Sci Int. 2010, accepted for publication.               

(12)

ABBREVIATIONS

CV     Coefficient of variation  CYP    Cytochrome P450  GABA    ‐aminobutyric acid  GC     Gas chromatography  GHB    Gamma‐hydroxybutyric acid  HPLC    High performance liquid chromatography  LC      Liquid chromatography  LSD    Lysergic acid diethylamide  MS     Mass spectrometry  NPD    Nitrogen‐phosphorus detector  SEM    Standard error of the mean  SD      Standard deviation 

THCCOOglu  11‐nor‐Δ9‐carboxy‐tetra‐hydrocannabinolic glucuronide 

THCCOOH  11‐nor‐Δ9‐carboxy‐tetra‐hydrocannabinolic acid  

                     

(13)

INTRODUCTION

Pre-analytical conditions

Laboratory activities are commonly classified in pre‐, intra‐ and post‐analytical  processes.  The  pre‐analytical  phase  includes  request,  sample  collection,  transport,  registration,  preparation  and  aliquoting,  storage,  freezing  and  thawing  [1].  The  intra‐analytical  phase  covers  the  measurement  procedures  while  the  post‐analytical  phase  includes  processing,  verifying,  interpreting  and  reporting  of  the  results.  In  the  past,  the  development  of  analytical  technology  and  quality  specifications  has  been  the  major  focus.  However,  in  clinical  chemistry  it  was  noticed  that  many  problems  occurred  in  the  pre‐ analytical phase [2,3] and attention was directed to the pre‐analytical process  in laboratory medicine as well as in forensic toxicology [4‐6]. 

Toxicological laboratory analysis results are influenced pre‐analytically by 

in vivo factors like genetic, pharmacological and physiological conditions and  in  vitro  factors  like  specimen  composition,  sample  additives  and  storage 

conditions.  Pharmacokinetic  and  pharmacogenetic  studies  have  shown  that  factors  such  as  age,  gender,  ethnic  origin,  body  weight,  liver  and  kidney  function,  plasma/blood  ratio  and  polymorphism  of  drug  metabolizing  enzymes  as  well  as  drug  interactions  must  be  considered  when  interpreting  results  [7‐10].  Analytical  methods  must  be  carefully  validated  for  drug  measurement  and  quantifications.  Method  validation  includes  several  analytical  parameters;  selectivity,  linearity,  accuracy,  precision,  limit  of  quantification,  limit  of  detection,  recovery,  robustness  and  nowadays  even  parameters  affected  by  specimen  composition  such  as  matrix  effects  and  stability [11‐13].  

Drug stability

Stability  has  been defined  as “The chemical  stability  of  an  analyte  in  a  given  matrix  under  specific  conditions  for  given  time  intervals”  [14].  In  forensic  toxicology, the analyte can be a drug, metabolite and/or a degradation product 

(14)

in a biological matrix. Examples of biological matrices are whole blood, serum,  plasma, urine, hair, oral fluids and tissues. 

The  knowledge  of  stability  of  a  drug  and  its  major  metabolites  in  biological matrices is very important in forensic cases for the interpretation of  analytical results [6,15,16]. In forensic investigations the pre‐analytical stability  processes start at the time of sampling and proceeds until the time of analysis.  Frequently,  there  is  a  delay  of  a  few  days  between  sampling,  drug  screening  and  drug  quantification.  In  forensic  toxicology  supplementary  analysis  or  reanalysis is sometimes necessary because of the legal process. In such cases it  is  not  uncommon  that  samples  are  stored  weeks  or  months  before  the  final  drug  quantification  is  done.  In  post‐mortem  forensic  cases  the  storage  of  the  body between the time of death and the time of sampling during the autopsy  also has to be considered. A drug, which is present in a biological sample, may  decompose  during  storage  and  may  not  be  detected  when  the  sample  is  analyzed. 

The  presence  of  drugs  and  poisons  are  tested  in  biological  materials  like  blood, urine and hair [17,18]. The identification and the quantification of drug  and metabolite concentrations in blood are valuable for the assessment of drug  abuse  in  connection  with  crime  and  sometimes  for  establishing  the  cause  of  death. The time of sampling is important, especially if there is any suspicion of  drug influence in the crime. Urine samples are useful in cases of drug misuse  or abuse because the drug is present in urine for a longer time and in higher  concentrations than in blood. Analysis of hair segments may define historical  drug use or changes in drug habits. In Sweden the specimens of venous whole  blood are taken by a nurse or physician, urine samples by the police and post‐  mortem  samples  (e.g.  femoral  blood,  urine,  vitreous  humor,  liver,  brain,  kidney  and  lung)  by  a  forensic pathologist.  After  sampling  all  specimens  are  sent  to  one  central  laboratory  for  toxicological  analysis.  During  the  transport  the samples are stored at ambient temperature for a period of about 20‐24 h.  However,  the  blood  samples  contain  100  mg  sodium  fluoride  and  25  mg  potassium oxalate as preservatives and the urine samples contain 1% sodium  fluoride  as  a  preservative.  Before  analysis,  the  samples  are  stored  in  a  refrigerator.  The best storage temperature for most of the drugs is at 4°C for short‐term  storage and at –20°C for long‐term storage [17]. For practical reasons it is most  common to keep blood samples at 4°C even for long‐term storage. In Sweden  the forensic laboratory has to keep blood samples in a cold place for one year  to enable reanalysis if necessary. 

(15)

Many  substances  are  unstable  in  biological  samples  and  undergo  degradation  during  storage.  Instability  can  depend  on  physical  (e.g.  type  of  tubes  and  preservatives,  light,  temperature),  chemical  (hydrolysis,  oxidation)  or  metabolic  processes  (enzyme  activities  and/or  metabolic  production)  [6,15,17]. In the area of analytical toxicology, the stability of drugs of abuse in  biological  specimens  has  been  extensively  studied  (see  section  “Stability  investigations of drugs”).  

Design and evaluation of stability experiments

Stability investigations mainly comprise studies of the influence of long‐term  and/or short‐term storage under the same conditions that laboratory samples  are normally collected, stored and processed. But in connection with method  validation also in‐process stability, freeze‐thaw stability and processed sample  stability  are  included.  Accounts  and  recommendations  of  stability  experimental  designs  and  stability  evaluations  are  available  [12,13,19],  but  generally accepted guidelines have not yet been established [15,20].  

Several different types of stability tests including stock standard solution  stability  are  required  for  complete  evaluation  [11‐13,19].  Long‐term  stability  studies usually cover a storage period that is expected for ordinary laboratory  samples and under the same storage conditions used routinely. In‐process or  bench‐top  stability  is  the  stability  at  ambient  temperature  over  the  time  needed for sample preparation. During reanalysis, samples have to be frozen  and  thawed;  therefore  stability  tests  over  multiple  freeze/thaw  cycles  are  recommended.  Processed  stability  tests  are  needed  to  investigate  stability  in  prepared samples e.g. sample extracts in auto sampler conditions. 

Stability  testing  by  comparing  quality  control  samples  at  two  concentration levels before (comparison samples/reference samples) and after  (stability  samples)  exposing  to  test  conditions  has  been  suggested  [12,13,19].  The reference samples can either be freshly prepared or stored below –130°C.  After storage at selected temperature and time intervals in the study, reference  and  stability  samples  are  analysed  together  and  the  results  are  compared.  Stability  acceptance  has  been  recommended  for  concentration  ratios  between  reference samples and stability samples of 90 and 110%, with 90%‐confidence  intervals  within  85‐115%  [19].  The  mean  of  the  stability  can  also  be  tested  against  a  lower  acceptance  limit  corresponding  to  90%  of  the  mean  of  the  reference samples using a one‐sided t test [13]. 

(16)

Various experimental designs and different procedures for data evaluation  exist in stability investigations. Mostly, stability tests are conducted by adding  (spiking)  the  drug  (analyte)  at  different  concentrations  to  a  pooled  drug‐free  matrix (e.g. whole blood, plasma, serum and/or urine), aliquoted and stored at  the  same  time  and  in  the  same  way  as  ordinary  samples.  The  concentrations  are  measured  at  selected  time  intervals  and  compared  to  detect  any  degradation  trend  [21‐32].  Among  reported  investigations,  also  studies  on  authentic  material  from  volunteers  dosed  with  the  drug  or  from  laboratory  cases have been performed [25,32‐36].  

Stability  investigations  have  been  evaluated  in  several  different  ways  by  statistical  parametric  tests  like  t  test  [26],  paired  t  tests  [32,35],  analysis  of  variance (ANOVA) [28,36] or by nonparametric tests like Kruskal‐Wallis and  Mann‐Whitney  [31].  Analytes  have  been  regarded  as  stable  if  difference  between initial concentration (C0) and concentration at a given time (Ct) does 

not exceeded the critical difference, d = C0 – Ct < SD of the method of analysis 

[30,34]. Stability has also been evaluated on a percentage base with regard to  analyte decrease or increase during storage [22,23,29,33,36].  

Stability investigations of drugs

Specific stability studies on several forensically relevant drugs in human blood  or  tissues  have  been  done;  such  as  cocaine,  its  metabolites  and  its  degradations 

product in whole blood, post‐mortem blood or plasma [24,29], benzodiazepines,  antidepressants,  analgesics  and/or  hypnotics  in  whole  blood,  plasma  or  post‐

mortem  blood  [21,22,35,37,38],  morphine  and/or  its  glucuronides  and/or 

buprenorphine in whole blood, plasma or post‐mortem blood [23,25], 11‐nor‐Δ9

carboxy‐tetra‐hydrocannabinol  glucuronide  (THCCOOglu)  in  plasma  [30],  toluene  and  acetone  in  liver,  brain  and  lungs  [31],  3,4‐methylenedioxymethamphetamine  (MDMA),  3,4‐methylenedioxyethylamphetamine  (MDEA)  and  3,4‐methylene‐ dioxyamphetamine (MDA) in whole blood [26], carbon monoxide in post‐mortem 

blood [39], gamma‐hydroxybutyric acid (GHB) in blood [36] and ethanol in whole  blood  and  plasma  [32].  In  urine,  drug  stability  during  storage  has  been  investigated  for  drugs  like  11‐nor‐Δ9‐carboxy‐tetra‐hydrocannabinol  acid 

(THCCOOH),  amphetamine,  methamphetamine,  ephedrine,  morphine,  codeine,  cocaine,  benzoylecgonine  and/or  phencyclidine  [27,33,34],  lysergic  acid  diethylamide  (LSD)  [40],  the  LSD  metabolite  2‐oxo‐3‐hydroxy  lysergic  acid  diethylamide  (O‐H‐ LSD) [28] and GHB [36]. 

(17)

Depending  on  conditions  (e.g.  time,  temperature  and/or  pH)  changes  in  drug  concentrations  were  observed  for  many  drugs  in  these  experimental  studies.  For  example,  GHB  in  post‐mortem  blood  and  urine  (metabolic  production)  [36],  THCCOOH  in  urine,  THCCOOglu  in  urine  and  plasma  (decarboxylation, enzymatic and chemical hydrolysis) [30,34], acetone in liver,  brain and lungs (reduction) [31] and cocaine in whole blood and post‐mortem  blood  (enzymatic  and  chemical  hydrolysis)  [24].  In  post‐mortem  blood,  degradation  was  noticed  for  e.g.  the  benzodiazepine  metabolite  7‐amino‐ nitrazepam and for the hypnotic drug zopiclone [35]. 

Zopiclone

Zopiclone  is  a  short‐acting  hypnotic  drug,  a  central  nervous  system  depressant, with muscle relaxant and anticonvulsant properties. The drug was  introduced  for  treatment  of  insomnia  in  the  1980s.  In  Sweden,  zopiclone  is  a  common finding in samples from drug‐impaired drivers, users of recreational  drugs and forensic autopsy cases [16,41].  

Zopiclone  is  considered  a  non‐benzodiazepine  from  the  cyclopyrrolone  class. It contains an asymmetric carbon atom and since all the four substituents  in  the  molecule  are  different  it  possesses  chirality.  Each  form  (left‐  or  right‐ handed)  of  the  chiral  compound,  the  two  mirror  images  of  the  molecule,  are  called  enantiomers  or  optical  isomers.  Zopiclone  is  a  racemic  mixture  composed  of  the  (+)‐enantiomer  with  S‐configuration  and  the  (−)‐enantiomer  with R‐configuration [42]. The chemical structure of zopiclone is shown below  (Fig. 1).                    Fig. 1. Zopiclone, 6‐(5‐chloro‐ 2‐pyridyl)‐7‐(4‐methyl‐1‐ piperazinyl)carbonyloxy‐6,7‐ dihydro(5H)pyrrolo‐(3,4‐ b)pyrazin‐5‐one. Empiric  formula: C17H17ClN6O3.  Molecular weight: 388.81  g/mole.  N N N N O N N CH3 O O Cl

(18)

* * * * * * The racemic mixture of zopiclone is sold under various brand names such as  Imovane®  (e.g.  Sweden,  Norway),  Imozop®  (Denmark),  Zimovane®  (e.g. 

United  Kingdom,  Ireland)  and  Limovan®  (e.g.  Spain).  The  S(+)‐enantiomer 

eszopiclone is available under the brand name Lunesta® (e.g. USA). The drugs 

are used for short‐term insomnia therapy. The short‐term effects of insomnia  are  characterized  as  difficulty  in  falling  asleep,  frequent  nocturnal  awaking  and/or early morning awaking. The usual dose of Imovane® is 5 or 7.5 mg at 

bedtime [43]. 

Pharmacokinetics

After oral administration of the racemic mixture, zopiclone is rapidly absorbed  from  the  gastrointestinal  tract,  with  a  bioavailability  of  approximately  80%  [44].  Plasma  protein  binding  of  zopiclone  was  reported  as  45%  [45]  in  one  study  and  80%  in  another  [46]. Both  albumin  and  α  1‐acid  glycoprotein  contribute  to  protein  binding  but  also  other  proteins  can  be  involved  (e.g.  globulins,  lipoproteins)  [46].  Zopiclone  is  rapidly  and  widely  distributed  to  body  tissues  including  the  brain,  and  is  excreted  in  urine,  saliva  and  breast  milk.  Zopiclone  is  metabolized  by  decarboxylation,  oxidation,  and  demethylation.  In  the  liver  zopiclone  is  partly  metabolized  to  an  inactive  N‐ demethylated  (13‐20%  of  dose)  and  an  active  N‐oxide  metabolite  (9‐18%  of  dose) (Fig. 2) [44].                                   Fig. 2. Pathways of zopiclone metabolism in humans (*position of the asymmetric carbon).  N N N N O N N CH3 O O Cl CYP3A4 CYP2C8  N N N N O N N H O O Cl CYP3A4  N N N N O N N O O Cl CH3 O Zopiclone  N‐oxide‐zopiclone  N‐desmethylzopiclone 

(19)

The  cytochrome  P‐450  (CYP)  enzymes  CYP3A4  and  CYP2C8  are  involved  in  the  metabolism  of  zopiclone.  Both  metabolites  have  a  correlation  to  CYP3A4  activity  but  the  N‐desmethylzopiclone  formation  also  has  a  correlation  to  CYP2C8  activity  [47].  Approximately  50%  of  the  administered  dose  is  decarboxylated  to  inactive  metabolites  of  which  some  is  excreted  as  carbon  dioxide  via  the  lungs.  Less  than  7%  of  the  administrated  dose  is  renally  excreted  as  unchanged  zopiclone.  In  urine,  the  N‐desmethyl  and  N‐oxide  metabolites  account  for  30%  of  the  initial  dose.  Elimination  half‐life  (t1/2)  of 

zopiclone is in the range of 3.5 to 6.5 hours [44]. 

There is no gender difference in zopiclone pharmacokinetics and patients  with  liver  or  renal  dysfunction  show  only  minor  modification  of  the  pharmacokinetic  parameters,  but  the  plasma  half‐life  of  zopiclone  increases  with age [44,45].  

All  the  pharmacokinetic  processes,  absorption,  distribution,  metabolism  and  excretion,  are  influenced  by  chirality.  Plasma  concentration  of  S(+)‐ zopiclone  becomes  higher  than  that  of  its  antipode  R(−)‐zopiclone  after  oral  administration of the racemic mixture and the urine concentration of R(–)‐N‐ desmethylzopiclone  and  R(−)‐N‐oxide‐zopiclone  become  higher  than  that  of  their antipodes [48]. 

Drug  interactions  occur  when  the  efficacy  or  toxicity  of  a  medication  is  changed  by  concomitant  administration  of  another  substance.  Inhibitors  of  CYP3A4  can  increase  plasma  zopiclone  concentrations  [49,50]  while  CYP3A4  inducers decrease the plasma concentration of zopiclone [51]. 

Pharmacodynamics

GABAA  receptors  mediate  inhibitory  synaptic  transmission  in  the  central 

nervous system and are the targets of neuroactive drugs used in the treatment  of  insomnia.  GABAA  receptors  are  pentametric  membrane  proteins  that 

operate  as  GABA  (‐aminobutyric  acid)‐gated  chloride  channels.  Agonists  increase the chloride permeability, hyperpolarize the neurons, and reduce the  excitability.  The  receptors  are  made  up  of  seven  different  classes  of  subunits  with  multiple  variants  (α1‐α6,  β1‐β3,  γ1‐γ3,  ρ1‐ρ3,  δ,  ε  and  θ)  that  are  differentially  expressed  throughout  the  brain.  Most  GABAA  receptors  are 

composed  of  α‐,  β‐  and  γ‐subunits  [52].  Zopiclone  has  a  high  affinity  for  the  benzodiazepine  binding  site  and  acts  at  γ2‐,  γ3‐bearing  GABAA  receptors, 

including  α1β2γ2  and  α1β2γ3,  but  relative  to  benzodiazepines,  produce  comparable  anxiolytic  effects  with  less  sedation,  muscle  relaxation,  or  addictive potential [53,54].  

(20)

It  has  been  suggested  that  zopiclone  has  a  pharmacological  profile  different  from  benzodiazepines  either  because  of  a  differential  affinity  for  different  GABAA  receptor  subtypes  or  partial  agonistic  properties.  Further,  it 

has  been  found  that  zopiclone  behaves  as  a  partial  agonist  at  the  GABAA 

receptor  with  a  lower  intrinsic  activity  relative  to  benzodiazepines.  S(+)‐ zopiclone has  more  affinity  for  benzodiazepine  sites  than  R(−)‐zopiclone,  but  both enantiomers are active at GABAA receptors [54‐57].  

The  advantage  of  racemic zopiclone  could  be  seen  within  30  minutes,  by  ease  of  falling  asleep,  increased  sleep  duration  and  decreased  number  of  awakenings  during  the  night  [43].  Drugs  that  act  on  the  central  nervous  system  can  have  adverse  effects  on  performance  and  behaviour  of  the  individual.  Residual  effects  on  psychomotor  and  cognitive  functions  are  dependent on dose and half‐life of the drug [58].  

Forensic cases

At the clinically recommended dose of 7.5 mg, the peak plasma concentration  of 0.06 mg/L was reached within 1‐2 h [43]. Blood concentrations of about 0.1  mg/L  were  seen  following  therapeutic  use  [59]  and  toxicity  might  occur  at  serum levels above 0.15 mg/L [60]. During the past few years there have been  an increasing number of reports about the abuse and misuse of zopiclone. One  study showed a prevalent misuse of zopiclone when its degradation product  2‐amino‐5‐chloropyridine  in  urine  samples  was  detected  [61].  The  zopiclone  distribution  in  cases  of  petty  drug  offences  in  Sweden  in  the  2000  to  2009  period is shown in Table 1. 

 

Table  1. Concentrations  of  zopiclone  in  whole  blood  samples  from  cases  of  petty  drug  offences in Sweden with zopiclone detected (data collected from the laboratory database at  the Department of Forensic Genetics and Forensic Toxicology).    Year  Number of  zopiclone cases  Mean value  (μg/g)  Median value   (μg/g)  Highest value   (μg/g)  2000  3  0.03  0.03  0.03  2001  7  0.06  0.03  0.19  2002  12  0.18  0.16  0.50  2003  10  0.08  0.07  0.15  2004  6  0.05  0.05  0.06  2005  15  0.10  0.04  0.50  2006  22  0.12  0.06  0.90  2007  26  0.09  0.06  0.28  2008  28  0.10  0.05  0.70  2009  37  0.08  0.05  0.30 

(21)

Zopiclone  and  other  sedative  hypnotic  drugs  are  detected  frequently  in  cases of people suspected of driving under the influence of drugs [16]. Because  of  the  adverse  effects  of  increased  reaction  time,  which  may  affect  driving  performance,  the  drug  is  not  suitable  when  skilled  tasks  are  performed.  Zopiclone  concentrations  in  blood  from  drivers  over  a  period  of  about  six  years  showed  that  80%  had  higher  blood  concentrations  than  those  expected  from therapeutic doses [62]. A connection between road‐traffic accidents and  zopiclone use has been reported concluding that users of zopiclone should be  advised not to drive [63]. The zopiclone distribution in cases of drug‐impaired  drivers in Sweden in the 2000 to 2009 period is shown in Table 2.  

 

Table 2. Concentrations of zopiclone in whole blood samples from cases of drug‐impaired  drivers in Sweden (data collected from the laboratory database at the Department of Forensic  Genetics and Forensic Toxicology).    Year  Number of   zopiclone case  Mean value  (μg/g)  Median value  (μg/g)  Highest value  (μg/g)  2000  34  0.10  0.05  0.30  2001  59  0.09  0.07  0.44  2002  55  0.11  0.07  0.53  2003  58  0.11  0.08  0.45  2004  52  0.08  0.04  0.34  2005  59  0.12  0.09  0.41  2006  62  0.11  0.06  0.50  2007  64  0.10  0.07  0.50  2008  89  0.14  0.08  1.0  2009  108  0.10  0.08  0.40    Fatalities resulting from poisoning with zopiclone combined with alcohol  or  other  drugs  have  also  been  described  [64‐66]  and  cases  of  fatal  zopiclone  overdose with zopiclone concentrations of 1.4‐3.9 mg/L in the blood have been  reported  [67].  An  overdose  after  ingestion  of  90  mg  of  zopiclone  has  shown  that this amount could be a minimum lethal zopiclone dose (in femoral blood  the zopiclone concentration was 0.254 mg/L) [66]. In Sweden, zopiclone is one  of the most frequently identified drugs in post‐mortem femoral blood [41]. The  zopiclone distribution in forensic autopsy cases in Sweden in the 2000 to 2009  period is shown in Table 3.           

(22)

Table 3. Concentrations of zopiclone in femoral blood samples from forensic autopsy cases  in  Sweden  (data  collected  from  the  laboratory  database  at  the  Department  of  Forensic  Genetics and Forensic Toxicology).    Year  Number of   zopiclone cases  Mean value  (μg/g)  Median value  (μg/g)  Highest value  (μg/g)  2000  157  0.18  0.09  1.6  2001  165  0.29  0.09  3.1  2002  194  0.27  0.08  8.2  2003  200  0.26  0.08  5.6  2004  147  0.27  0.08  4.2  2005  226  0.34  0.08  8.6  2006  228  0.36  0.11  4.7  2007  274  0.28  0.08  13.5  2008  264  0.40  0.10  19.0  2009  277  0.27  0.09  4.7   

Analytical methods

Zopiclone is a white to light yellow crystalline solid and is slightly soluble in  water,  soluble  in  most  organic  solvents  (e.g.  ethanol,  acetonitrile,  dichlormethane)  [44].  Analysis  of  zopiclone  in  biological  specimens  is  complicated  by  its  instability  in  certain  solvents  as  methanol,  acid  or  basic  conditions [59,68,69]. Standard solution should be prepared in acetonitrile and  extraction must be done at neutral pH to ensure stability [59,70].  

Several  analytical  methods,  such  as  high  performance  liquid  chromatography  (HPLC),  gas  chromatography  (GC),  gas  chromatography  mass  spectrometry  (GC‐MS),  liquid chromatography  mass  spectrometry  (LC‐ MS)  and  liquid  chromatography  tandem  mass  spectrometry  (LC‐MS‐MS),  have  been  developed  for  the  quantification  of  zopiclone  in  whole  blood  and  plasma  [69,71‐79].  Some  assays  (HPLC,  LC‐MS,  LC‐MS‐MS)  have  also  been  developed  to  separate  and  determine  zopiclone  and  its  metabolites  (N‐ desmethylzopiclone  and  N‐oxide‐zopiclone)  in  urine  [71,77,80,81].  One  method  (HPLC)  has  been  reported  to  detect  zopiclone  and  its  metabolite  N‐ desmethylzopiclone  in  plasma  [78].  Stereo  specific  methods  [LC,  capillary  electrophoresis  (CE),  radioimmunoassay  (RIA)  and  HPLC]  have  been  developed  to  separate  the  enantiomers  [70,82‐84].  Two  methods  (HPLC,  GC‐ MS)  for  detection  of  the  zopiclone  degradation  product  2‐amino‐5‐ chloropyridine have been described [85,86].  

(23)

Biological specimens

It has been confirmed that physical processes e.g. temperature have an effect  on  zopiclone  stability  and  it  has  been  shown  that  zopiclone  undergoes  degradation  by  chemical  hydrolysis  at  basic  pH  by  ring  opening  and  conversion to 2‐amino‐5‐chloropyridine [68,85,86].  

Specific  long‐term  stability  investigation  showed  a  21%  decrease  of  the  zopiclone concentration in post‐mortem femoral blood after storage for twelve  months at –20°C [35]. 

Data  on  zopiclone  stability  have  also  been  carried  out  from  stability  experiments  in  connection  with  method  development  and  validation.  Long‐

term stability tests have shown that zopiclone in spiked human plasma is stable 

for one month [69,78] and for six months [70] when stored at –20°C or lower. 

Freeze‐thaw  stability  tests  have  indicated  zopiclone  stability  in  spiked  human 

plasma  for  three  freeze‐thaw  cycles  [69,78].  Short‐term  or  in  process  stability  tests  have  shown  no  evidence  of  degradation  in  plasma  quality  control  samples stored at room temperature for 24 h [78]. No loss of zopiclone could  be detected following storage of blood samples (plasma) at 4‐8°C for less than  6 h, but the concentration of zopiclone in blood was reduced by 25% and 29%  for  the  (–)‐  and  (+)‐enantiomers,  respectively,  after  20  h  at  ambient  temperature  [70].  Processed  sample  stability  or  sample  extract  reanalysis  has  shown that zopiclone is stable for up to 24 h in water‐methanol extract [78] but  unstable in ethanol extracts [69]. 

Zopiclone in whole blood is analyzed in forensic toxicology and a detailed  stability  investigation  of  zopiclone  in  this  matrix  is  necessary.  Both  albumin  and  α‐1‐acid  glycoprotein  are  involved  in  zopiclone  protein  binding  [46].  Protein  binding  might  protect  drugs  from  in  vitro  breakdown,  but  no  relationship between concentration decrease during storage and drug binding  has  been  confirmed  [21].  However,  considering  individual  differences  in  plasma protein concentrations or possible plasma protein binding competition  between different drugs in vitro, stability studies on authentic samples might  be important. 

(24)

             

(25)

AIMS OF THESIS

The  overall  aim  of  this  thesis  was  to  investigate  the  stability  of  zopiclone  in  human whole blood and to study stability differences between authentic and  spiked samples. Depending on handling, storage and specimen conditions, the  zopiclone  concentration  is  likely  to  change.  Since  interpretation  of  zopiclone  concentrations  in  whole  blood  are  important  in  forensic  toxicology,  detailed  knowledge  of  the  zopiclone  stability  in  whole  blood  matrices  is  essential  for  reliable analysis and interpretation of results. 

Specific aims

Paper I

To investigate the stability of zopiclone in human blood during storage under  different conditions, stability differences between authentic and spiked blood,  freeze‐thaw and processed sample stability.  

Paper II

To  compare  stability  between  authentic  and  spiked  blood  samples  from  the  same  donor  and,  in  particular,  to  investigate  the  influence  of  short‐term  pre‐ analytical storage conditions. 

   

(26)

                                       

(27)

MATERIALS AND METHODS

Study designs

Long- and short-term stability

Pooled human drug‐free whole blood was used as matrix for spiked samples  and this was obtained from the local blood bank at the University Hospital in  Linköping. To 1 g blood, zopiclone was added from stock standard solutions  to give target concentrations of 0.2 μg/g (low level) and 0.5 μg/g (high level),  respectively. These levels were chosen on the basis of concentrations found in  authentic blood samples and being high enough to follow decrease over time.  After  the  initial  measurement  of  five  replicates  at  each  level,  the  remaining  tubes  were  stored  at  –20°C,  5°C  or  20°C.  The  initially  measured  mean  concentration was used as starting value. To investigate the effect of time and  temperature,  the  zopiclone  concentration  was  measured  in  duplicate  at  selected times during twelve months.  

Authentic  and  spiked  blood  was  used  to  investigate  stability  differences  under  the  conditions  usually  encountered  in  our  laboratory.  Authentic  blood  samples  from  nine  cases  were  included,  where  venous  blood  specimens  had  been obtained by medical personnel and sent by the police to the Department  of  Forensic  Genetics  and  Forensic  Toxicology,  Linköping,  for  analysis.  Aliquots were reanalyzed after 1, 3, 5 and 8 months of storage at 5°C and the  concentration  of  zopiclone  was  measured.  The  first  measured  concentration  was  used  as  starting  value.  Spiked  blood  samples  were  prepared  to  compare  with  the  authentic  samples.  To  1  g  aliquots  of  drug‐free  blood,  zopiclone  standard  solution  was  added  at  ten  different  concentrations  (0.02,  0.03,  0.06,  0.09, 0.10, 0.15, 0.20, 0.30, 0.40 and 0.50 μg/g) and after initial measurement the  spiked samples were stored at 5°C. The initially measured concentration was  used as starting value. The zopiclone concentration was measured in duplicate  after 1, 3, 5 and 8 months of storage.  

(28)

Freeze-thaw stability

Aliquots of drug‐free blood were spiked in triplicates with zopiclone standard  solution to one low concentration (0.02 μg/g) and one high concentration (0.2  μg/g).  The  samples  were  analyzed  before  and  after  three  freeze  (20  ±  2  h  at   –20˚C)  ‐  thaw  cycles  (in  total  less  than  2  h  at  room  temperature).  Also,  authentic  blood  samples  were  used.  Aliquots  from  eight  samples  were  analyzed, then  frozen  at  −20°C  for  20  ±  2  h,  thawed  at  room  temperature  for  less  than  2  h,  and  reanalyzed.  Because  of  limited  authentic  material,  the  authentic samples could only go through one freeze‐thaw cycle.  

Processed stability

Six samples were reinjected to evaluate processed sample stability of zopiclone  concentrations  in  extracts  of  butyl‐acetate.  The  extracts  were  reinjected  21  h  (one  day)  and  45  h  (two  days)  after  on‐instrument  storage  at  ambient  temperature. 

Degradation

In  addition  to  the  stability  investigation,  the  formation  of  zopiclone  degradation  products  was  investigated  in  blood  samples  during  storage  for   24 h at 37°C. To 1 gram of drug‐free blood 0.3 μg/g of zopiclone (0.77 nM) was  added and the aliquots were incubated 0, 1, 3, 6, 18, and 24 h before extraction  and analysis. 

Influence of pre-analytical conditions

Nine  healthy  drug‐free  volunteers  participated  in  the  study  approved  by  the  regional  ethics  committee  in  Linköping,  Sweden  (#M164‐08).  Before  oral  administration of a single dose of 10 mg Imovane®, blood samples were drawn 

in  tubes  containing  EDTA  (2  x  3  mL)  and  tubes  containing  sodium  fluoride  and potassium oxalate (6 x 9 mL). After administration, at the estimated peak  time  of  1.5  h,  blood  samples  were  taken  in  tubes  containing  sodium  fluoride  and potassium oxalate (6 x 9 mL). 

(29)

The  EDTA  blood  samples  were  directly  transported  to  a  local  clinical  laboratory  (at  University  Hospital,  Linköping)  for  analysis  of  erythrocyte  volume fraction, plasma albumin and plasma α‐1‐glycoprotein. The pre‐dosed  blood was pooled individually; then divided into glass tubes and spiked with  stock standard solution of zopiclone to give target concentrations of 0.15 μg/g  (n = 4) and 0.08 μg/g (n = 5), respectively. The levels were expected to reflect  authentic  blood  levels.  The  post‐dosed  blood  was  pooled  individually  and  aliquoted in glass tubes.  

After  the  initial  concentration  was  measured  in  triplicate,  the  remaining  tubes  were  stored  at  20°C,  5°C  or  –20°C.  The  initially  measured  mean  concentration  was  used  as  starting  value.  Measuring  started  within  8  ±  1  h  after  the  first  sampling.  To  investigate  the  effect  of  time  and  temperature  in  authentic  and  spiked  blood,  the  zopiclone  concentration  was  measured  in  triplicate  at  selected  times  after  storage  (days  at  20°C,  weeks  at  5°C  and  months at –20°C). 

Ethical considerations

In  the  first  study  (Paper  I),  biological  material  from  forensic  cases  was  used.  Data was collected from a laboratory database at the Department of Forensic  Genetics  and  Forensic  Toxicology.  The  samples  were  reanalyzed  and  evaluated  unidentified  with  no  connection  to  the  cases.  In  the  second  study  (Paper II), biological material from volunteers was used. Research procedures  adhered  to  obligations  to  the  study  participants  and  the  protocol  was  approved  by  the  Regional  Ethics  committee,  Faculty  of  Health  Sciences,  Linköping University, Sweden (# M164‐08). 

Equipment

Vacutainer  tubes  and/or  VenoSafe  tubes  (Terumo  Europe  NV,  Leuven,  Belgium) containing 100 mg sodium fluoride and 25 mg potassium oxalate as  preservatives  and  Vacutainer  tubes  (BD  Vacutainer,  Plymouth,  United  Kingdom) containing  EDTA  were  used  for  blood  sample  collection.  Aliquots  of 1 g of whole blood were stored in glass tubes (DURAN®, Mainz, Germany). 

Eppendorf pipettes (accuracy and precision controlled each four months) were  used. Blood samples were weighed on a Sartorius LC421 scale (calibrated once 

(30)

a  year  and  controlled  in  house  each  month).  Hettich  (Universal  30  RF)  centrifuge was used for centrifugation (calibrated once a year). 

Chemicals and solutions

Acetonitrile,  methanol,  n‐butyl  acetate,  methyl‐tertbutylether  of  analytical  grade  came  from  Merck  (Darmstadt,  Germany).  Hydrochloric  acid,  formic  acid,  sodium  hydroxide,  tris(hydroxymethyl)aminomethane,  potassium  dihydrogen  phosphate  and  dipotassium  hydrogen  phosphate  *  3  H2O  were 

supplied by Merck (Darmstadt, Germany) and ammonium formiate by Sigma  Aldrich  (Steinheim,  Germany).  The  0.5  M  phosphate  buffer  pH  7.0  used  in  extraction was prepared by mixing a 0.5 M dipotassium hydrogen phosphate  solution with 0.5 M potassium dihydrogen phosphate solution to pH 7.0. The   1  M  trisbuffer  was  adjusted  to  pH  11.  Reference  solutions  (stock  standard  solutions)  were  prepared  in  acetonitrile  with  certified  zopiclone  (Sigma‐ Aldrich,  St.  Louis,  MI,  USA) to  concentrations  of  0.1  mg/mL,  0.01  mg/mL,   1  μg/mL and 0.1 μg/mL.  The  reference  solutions  were  stored at  ‐20°C  with a  tested stability of at least 12 months. Prazepam (Sigma‐Aldrich, St. Louis, MI,  USA)  was  prepared  in  methanol  and  used  as  internal  standard  (IS)  with  a  concentration  of  0.01  mg/mL.  The  breakdown  product  2‐amino‐5‐ chloropyridine  was  obtained  from  Sigma‐Aldrich  (Steinheim,  Germany).  Deionized water was prepared on a Direct Q laboratory plant (Millipore). 

Analytical methods

Gas chromatography

The measurement principle GC‐NPD was used for zopiclone quantification.  To 1.0 g of the sample 30 L internal standard (prazepam 0.01 mg/mL) and  0.5 mL 0.5 M phosphate buffer pH 7.0 were added. Extraction was made with  0.3  mL  butyl‐acetate  for  10  minutes  and  after  phase  separation  by  centrifugation (5000 rpm), the organic extract was transferred to a sampler vial  and analyzed by GC‐NPD. 

GC‐NPD  analyses  were  performed  on  a  Hewlett  Packard  (HP)  5890  GC  (Waldbronn,  Germany).  5  μL  aliquots  of  the  extract  were  injected  with 

(31)

automatic  injector  HP  7634A  at  250°C  into  an  analytical  column,  DB‐5  capillary  column  15  m  by  0.25  mm  ID  and  0.25  m  thickness  (J&W,  Folsom,  CA, USA). The initial oven temperature was 200°C and was then programmed  to 300°C at a rate of 25°C /min, held at 300°C for 4 min before an increase to  320°C.  The  carrier  gas  was  helium  with  a  constant  pressure.  The  detector  temperature was 320°C. Results were evaluated using Chromeleon version 6.7  (Dionex  Corparation,  Sunnyvale,  CA,  USA).  Example  of  a  typical  chromatogram is shown in Fig. 3. 

 

 

Fig.  3. Example  of  chromatogram  from  blood  extract  of  a  control  sample  at  low  level  0.02  μg/g. Internal standard is prazepam (4.89) and the peak before zopiclone (7.48) is cholesterol.   

This  GC‐NPD  assay  is  routinely  used  and  method  validation  was  performed before the stability investigations. Calibration curves were made by  adding zopiclone reference solution at five different concentrations (0.01, 0.05,  0.2, 0.5 and 1 μg/g) to drug‐free fresh whole blood and analyzed in duplicate.  Linear  calibration  curves  were  obtained  in  the  range  of  0.01  to  2  μg/g.  Precision  was  expressed  as  the  percentage  coefficient  of  variation  (%CV)  of  measurements.  Inter‐  and  intraday  variability  were  determined  at  two  levels  (0.02 and 0.50 μg/g). Intra‐day variability (n = 5) was 6.1%CV and 4.4%CV and  inter‐day variability (n = 45) was 26.6%CV and 24.4%CV for the low and high  level, respectively. The limit of detection (LOD) was 0.007 μg/g and the limit of  3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 1 0.0 mV min 4.89 7.48 5 10 15 20 25 Zopiclone Internal Standard 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 1 0.0 mV min 4.89 7.48 5 10 15 20 25 Zopiclone Internal Standard 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 1 0.0 mV min 4.89 7.48 5 10 15 20 25 Zopiclone Internal Standard

(32)

quantification (LOQ) was 0.02 μg/g. Recovery in the assay was 51%. Zopiclone  metabolites and degradation products were not included in this method.  

Liquid chromatography

To  identify  and  quantify  zopiclone  breakdown  products  a  brief  experiment  was performed. After the incubation at 37°C, 0.5 mL 1 M trisbuffer was added  to the samples. Extraction was made with methyl‐tertbutylether for 10 minutes  and  after  phase  separation  by  centrifugation  (5000  rpm),  the  organic  extract  was removed and evaporated with nitrogen. The residue was reconstituted in  0.2 mL of a 50% solvent mixture of A and B (see below) and analyzed by LC‐ MS‐MS. 

The  LC/MS/MS  system  consisted  of  a  Waters  ACQUITY  UPLC®  (Ultra 

Performance  LC)  with  a  Binary  Solvent  Manager,  Sample  Manager,  and  Column Manager (Waters Co., Milford, MA, USA) connected to an API 4000™  triple  quadrupole  instrument  (Applied  Biosystems/MDS  Sciex,  Stockholm,  Sweden)  equipped  with  an  electrospray  interface  (TURBO  V™  source,  TurboIonSpray® probe) operating in the MRM mode. 

The acquisition method included two transitions for zopiclone (389.1/217.0  and  389.1/245.1),  N‐desmethyl‐zopiclone  (375.1/217.1  and  375.1/245.0),  N‐ oxide‐zopiclone  (405.2/143.1  and  405.2/245.0),  and  2‐amino‐5‐chloropyridine  (128.9/112.1  and  128.9/76.1).  Ultra  Performance  Liquid  Chromatography  (UPLC®)  was  performed  using  a  1.7  μm,  50  ×  2.1  mm  ACQUITY  UPLC® 

ethylene bridged hybrid (BEH) C18 column (Waters Co.), operated in gradient 

mode  at  0.6  mL/min  with  a  total  run  time  of  3  min.  Solvent  A  consisted  of  0.05%  formic  acid  in  10  mM  ammonium  formiate  and  Solvent  B  of  0.05%  formic  acid  in  acetonitrile.  External  calibration  curves  were  used  for  quantitation. 

Quality controls

Quality  controls  at  two  levels,  low  (0.02  μg/g)  and  high  (0.50  μg/g)  were  extracted and measured together with each batch of samples in the long‐ and  short‐term stability investigation (GC‐NPD). Quality control samples at three  levels,  negative,  low  (0.02 μg/g)  and high  (0.20  μg/g),  were  used  in  the  same  way in the freeze‐thaw and in the processed stability investigations as well as  in  the  study  of  the  influence  of  pre‐analytical  conditions.  The  quality  control  samples  were  freshly  prepared  before  each  assay  by  spiking  drug‐free  blood 

(33)

matrix  with  the  reference  standard  solution  at  each  concentration.  Method  precision (random error, variation) and accuracy (systematic error, mean bias)  were evaluated for these quality control samples.  

Clinical chemical analysis

The  erythrocyte  volume  fraction,  plasma  albumin  and  plasma  α‐1‐ glycoprotein  were  analyzed  at  the  clinical  laboratory  at  University  Hospital,  Linköping.  Erythrocyte  volume  fraction  (EVF)  was  measured  by  impedance  technique  (Cell‐Dyn  Sapphire,  Abbot  Laboratories,  Saint‐Laurent,  Québec,  Canada),  plasma  albumin  and  plasma  α‐1‐glycoprotein  were  analyzed  by  immuno  chemical  technique  (ADVIA  1800,  Siemens,  Deerfield,  IL,  USA  and  BN ProSpec, Siemens, Deerfield, IL, USA).  

Statistical analysis

The descriptive statistics used were means and standard deviation. Wilcoxon  Signed Ranks Test was used, when comparison between the different storage  times was evaluated. When differences between authentic and spiked samples  were evaluated, Mann‐Whitney U‐test was used. A probability of less than 5%  (p  <  0.05) was  regarded  as  significant.  The  statistical  analysis  was  performed  using SPSS 16.0 for Windows in Paper I and SPSS Statistics 17.0 in Paper II. In  paper  II  the  stability  was  also  evaluated  by  using  a  lower  acceptance  limit  (initial  value  –  2  x  SD  of  method).  The  ±  2  standard  deviations  (SD)  are  a  common  limit  for  accepting  batch  controls  in  a  series  of  samples  with  a  95%  confidence.                     

(34)

                                   

(35)

RESULTS

Paper I

Long-term and short-term stability

Effect of time and temperature

Long‐  and  short‐term  stability  was  investigated  at  two  concentrations  of  zopiclone  and  at  three  different  storage  conditions.  A  significant  difference  between samples stored at –20°C, 5°C or 20°C was found (p < 0.05). The results  from  the  higher  concentration  (0.59  μg/g)  and  the  lower  concentration  (0.23  μg/g)  showed  the  same  degradation  profile  with  no  significant  differences.  Data from samples at the high concentration (0.59 μg/g) are depicted in Fig. 4  showing  that  zopiclone  is  most  stable  at  –20°C.  After  five  months  74‐88%  of  the  initial  zopiclone  concentration  was  left  of  the  low  and  high  levels,  respectively. However, after six months of storage some decrease in zopiclone  concentration  was  noticed  which  reached  a  36‐52%  decrease  in  the  end  of  studied  period.  In  samples  stored  at  5°C  degradation  of  zopiclone  was  seen  already  after  a  few  weeks.  After  four  weeks,  the  residue  was  42‐61%,  after  three  months  12‐13%,  and  after  five  months  there  was  no  measurable  concentration  left.  At  a  storage  temperature  of  20°C,  the  concentration  decreased more than 50% after the first three days of storage.  

(36)

0 50 100 150 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Time (days) Re ma ining c onte n t (%) -20ºC 5ºC 20ºC   Fig.  4. Effect  of  time  and  storage  conditions  in  whole  blood  containing  0.59  μg/g  of  zopiclone (high level). 

Authentic and spiked stability samples

As regards long‐term stability, authentic and spiked samples were compared  during  storage  at  5°C.  Zopiclone  degradation  over  time  was  seen  in  both  authentic and spiked blood samples stored at 5°C (Fig. 5).     0 20 40 60 80 100 120 140 0 50 100 150 200 250 Time (days) Remaining content (%) Authentic Spiked Expon. (Authentic) Expon. (Spiked)   Fig. 5. Authentic and spiked samples (at levels between 0.01‐0.49 μg/g) during eight months  of  storage  at  5°C.  Within  the  authentic  group,  storage  before  first  measurement  varied  between 2‐14 days. For all the spiked samples first measurement was at day zero. 

(37)

A  significant  difference  between  the  initial  content  and  the  residue  was  noticed already after one month (p < 0.05) in the spiked group as well as in the  authentic  group  (Table  4).  Mann‐Whitney  U‐test  showed  no  significant  differences  between  the  two  groups,  but  within  both  of  the  groups  the  remaining  content  varied.  Additionally,  in  the  authentic  group  the  first  measured  concentration  was  used  as  starting  value  while  the  initially  measured  concentration  was  used  as  starting  value  in  the  spiked  group   (Fig. 5). 

 

Table  4. A  compilation  of  zopiclone  remaining  content  in  authentic  and  spiked  human  blood samples during storage for 8 months at 5°C.     Mean remaining content (%) and (range)  after storage in months   Material        Initial content (%)      1  3  5  8  Authentic  (n = 9)*  100    75**  (50‐133)  13**  (0‐38)  6**  (0‐23)  0**  0  Spiked  (n = 10)  100    77**  (55‐100)  19**  (0‐50)  8**  (0‐25)  0.9**  (0‐4)   

*Other  drugs,  e.g.  alprazolam,  carisoprodol,  citalopram,  codeine,  diazepam,  dihydropropiomazine,  ephedrine,  ethanol,  lamotrigine,  levomepromazine,  meprobamate,  nordazepam,  oxazepam  and/or  tramadol  were  present  in  eight  of  the  nine  authentic  samples.  Within  the  authentic  group,  storage  before first measurement varied between 2‐14 days. 

**p < 0.05 

Freeze-thaw stability

Freeze‐thaw  stability  of  zopiclone  in  whole  blood  was  evaluated  in  both  authentic  and  spiked  samples.  There  were  no  differences  in  zopiclone  concentration  before  and  after  the  freeze‐thaw  cycle  for  any  of  the  eight  authentic  samples  with  a  zopiclone  concentration  ranging  from  0.03  to  0.15  μg/g.  In  the  spiked  samples,  there  were  no  differences  at  the  low  level  (0.02  μg/g) after three freeze‐thaw cycles, but some decrease (8%) at the high level  (0.20 μg/g) was noticed after three cycles. 

(38)

Processed stability

After  storage  on  the  analytical  instrument  during  two  days  at  ambient  temperature,  no  evidence  of  degradation  was  seen  in  the  processed  sample  stability test of the sample extract reanalysis. 

Degradation products

The  zopiclone  degradation  was  investigated  in  spiked  samples  during  24  h  incubation  at  37°C.  In  these  samples  the  zopiclone  metabolites  N‐desmethyl‐ zopiclone  and N‐oxide‐zopiclone  were  not  detected.  However,  2‐amino‐5‐ chloropyridine was formed in approximately equimolar amounts to zopiclone  decay (Fig. 6).    0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 5 10 15 20 25 Time (h) C oncentration (nM) Zopiclone ACP     Fig. 6. Degradation of zopiclone and formation of 2‐amino‐5‐chloropyridine (ACP) in spiked  whole blood at 37°C. 

Quality control samples

Results from the quality control samples during short‐ and long‐term stability  investigation in Paper I are shown in Table 5.  H N Cl 2N N N N N O N N CH3 O O Cl

(39)

Table  5. The  descriptive  statistics  for  the  quality  controls  in  the  long‐  and  short‐term  zopiclone  stability  investigation:  a)  spiked  blood  (during  12  months)  and  b)  authentic  and  spiked blood (during 8 months). L = low level and H = high level.    Quality  Control    Theoretical  value  (μg/g)  Mean  value  (μg/g)  SEM  SD  Precision CV%  Mean  Bias  Accuracy %  a) L  (n = 75)  0.02  0.014  0.0005  0.004  27  ‐0.006  70  a) H   (n = 75)  0.50  0.444  0.011  0.092  21  ‐0.056  89  b) L  (n = 48)  0.02  0.015  0.0004  0.003  20  ‐0.005  75  b) H   (n = 48)  0.05  0.440  0.011  0.076  17  ‐0.060  88   

Paper II

Authentic and spiked stability samples

Stability  differences  between  authentic  and  spiked  blood  samples  from  the  same donor were compared. 

The spiked levels were intended to reflect those in the authentic samples.  However, the dosed subjects presented with zopiclone blood levels lower than  expected  and  therefore  four  of  the  spiked  samples  were  excluded  (spiked  at  0.15 μg/g). Zopiclone concentrations in the authentic samples 90 minutes after  oral  administration  varied  between  0.017–0.060  μg/g  (n  =  9)  and  the  target  concentration  in  the  spiked  samples  was  0.08  μg/g  (n  =  5).  The  measured  concentration at the time of spiking ranged between 0.064‐0.083 μg/g.  The remaining content of zopiclone in authentic and spiked blood showed  the same decreasing trends at 20°C and 5°C as depicted in Fig. 7.             

References

Related documents

Our main findings were that (1) the act of drying only slightly influenced detection of blood proteins (average correlation of 0.970), and in a reproducible manner (cor- relation

Lagrange's stability theorem If in a certain rest position x 0 , where G 0 (x 0 ) = 0 , a conservative mechanical system has minimum potential en- ergy, then this position

This is the main section of the thesis, and contains the construction of a smooth hamiltonian in three degrees of freedom having an invariant torus not accumulated by a positive

In the pre-investigation, different problems in the borehole are categorized such as re-drilling, wet holes, stones and concrete in the boreholes in different sublevels where

During the later parts of the testing phase, some lasers were also subjected to varying temperature of internal components using built-in temperature controls, to determine

Ingrid Ziegler (2018): Quantitative detection of bacterial DNA in whole blood in bloodstream infection.. Örebro Studies in Medical Science 183 This thesis aims to increase

The aim of this study was to investigate the stability of ZOP in human blood during storage under different conditions, stability differences between authentic and spiked

Linköping University 581 85 Linköping, Sweden www.liu.se G unnel N ilsson Z. opiclone degradation in